隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，導(dǎo)線的應(yīng)用越來越廣，對導(dǎo)線的加工使用離不開對導(dǎo)線的切割、剝皮和壓端子等，導(dǎo)線切割作為導(dǎo)線加工的第一步，對導(dǎo)線的后續(xù)處理很重要[1]。帶尼龍保護(hù)層的導(dǎo)線在航空、航天等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。這類導(dǎo)線具有以下特點(diǎn)：(1)保護(hù)層切斷后具有自然張開的特性；(2)導(dǎo)線的線芯不能接觸高溫；(3)導(dǎo)線有一定的直徑，具有較高的硬度和較強(qiáng)的韌性，切刀運(yùn)行速度需足夠高。傳統(tǒng)的切線機(jī)對這類導(dǎo)線的切割已不適用，因?yàn)檫@些切線機(jī)要么沒有加熱機(jī)構(gòu)，要么對切刀進(jìn)行加熱。沒有加熱機(jī)構(gòu)的切線機(jī)在切割這類導(dǎo)線后，導(dǎo)線的尼龍保護(hù)層會(huì)發(fā)散開來，不便于后續(xù)處理；對切刀進(jìn)行加熱的切線機(jī)在切割這類導(dǎo)線時(shí)，一方面高溫切刀接觸導(dǎo)線線芯會(huì)引起安全事故，另一方面切刀速度過快時(shí)切刀與導(dǎo)線的接觸時(shí)間不夠，導(dǎo)線切割后外層仍會(huì)張開，如果切刀速度過慢則切不斷導(dǎo)線。針對這種狀況，本文研制了切割這類導(dǎo)線的專用自動(dòng)切線控制系統(tǒng)，并詳細(xì)介紹此控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及功能
    本系統(tǒng)主要由進(jìn)線機(jī)構(gòu)、切線機(jī)構(gòu)和燙線機(jī)構(gòu)組成，采用滾輪連續(xù)傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)線按指定長度切線，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    其工作流程如下：首先裝夾導(dǎo)線，然后通過壓力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)夾緊導(dǎo)線，加熱槍加熱，進(jìn)線電機(jī)根據(jù)設(shè)定的切線長度運(yùn)動(dòng)使進(jìn)線主動(dòng)輪1旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)給，導(dǎo)線進(jìn)給帶動(dòng)進(jìn)線從動(dòng)輪2旋轉(zhuǎn)，通過對從動(dòng)輪2上編碼器的檢測可以得到導(dǎo)線的進(jìn)給長度，當(dāng)導(dǎo)線達(dá)到指定長度后進(jìn)線電機(jī)停止，鼓風(fēng)機(jī)通過加熱槍管吹出熱風(fēng)燙化導(dǎo)線尼龍保護(hù)層，吹風(fēng)時(shí)間到后，鼓風(fēng)機(jī)停止，進(jìn)線電機(jī)再次動(dòng)作將導(dǎo)線燙化的位置送到切刀下，然后切線電機(jī)帶動(dòng)切刀運(yùn)動(dòng)切割導(dǎo)線，切斷導(dǎo)線后切刀回位，接著進(jìn)線電機(jī)再次帶動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)給，進(jìn)行下一段的導(dǎo)線切割。
    本切線系統(tǒng)具有以下功能：(1)切線長度、切線數(shù)量、進(jìn)線速度、加熱溫度和吹風(fēng)時(shí)間均可根據(jù)需要人為設(shè)定，且設(shè)置的參數(shù)具有掉電保護(hù)的功能；(2)設(shè)備可調(diào)試功能可控制設(shè)備點(diǎn)動(dòng)或連續(xù)運(yùn)行，點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行可對導(dǎo)線進(jìn)給和切刀運(yùn)動(dòng)分別控制，從而方便設(shè)備檢修和故障處理。(3)設(shè)備暫停功能可在緊急情況下使系統(tǒng)暫停。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    根據(jù)此專用自動(dòng)切線控制系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    中央處理器采用Philips公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI-S型微處理器LPC2131,它含有2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、6路PWM輸出、2個(gè)SPI串行接口和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP，含有47個(gè)通用I/O口[2]，這使得它完全符合本系統(tǒng)的控制要求。對其通過ISP在線編程, 可以控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行。其中本系統(tǒng)的核心部分為電機(jī)控制部分和溫度控制部分。
2.1 電機(jī)控制及保護(hù)電路
    電機(jī)控制電路由脈沖下發(fā)電路和編碼器信號回饋電路組成。其與伺服驅(qū)動(dòng)器接口示意圖如圖3所示。

    脈沖下發(fā)電路為電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)提供方向控制信號和脈沖控制信號，本系統(tǒng)選用了Panasonic公司的MINAS A4系列交流伺服電機(jī)及與之匹配的驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器信號采用位置控制方式差分輸入。ARM輸出的方向和脈沖兩路單極性信號先經(jīng)過差分生成芯片SP26LV431轉(zhuǎn)換為差分信號再接入驅(qū)動(dòng)器，這樣可以提高信號的抗干擾能力。
    編碼器信號回饋電路用于將編碼器發(fā)出的脈沖信號回饋給ARM。驅(qū)動(dòng)器提供三對差分信號A+、A-、B+、B-、Z+、Z-作為反饋。這三對信號由于受到驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部大電源的干擾，在電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)所發(fā)出的信號會(huì)出現(xiàn)許多毛刺，直接接到ARM中會(huì)引起誤判斷，所以這三對信號經(jīng)過由AM26LS32構(gòu)成的差分電路轉(zhuǎn)化為單路信號A、B、Z再回饋給ARM。
    由于導(dǎo)線切割時(shí)需要的切刀速度很高，所以設(shè)置了兩路極限開關(guān)接口，并將驅(qū)動(dòng)器的行程限位功能設(shè)置為有效以限定切刀的運(yùn)行范圍，防止切刀過沖。此外設(shè)置了一路紅外線檢測接口來檢測系統(tǒng)是否有線，若系統(tǒng)無線則自動(dòng)停止系統(tǒng)運(yùn)行，從而保護(hù)送線滾輪。
2.2 溫控電路
    溫控電路由溫度控制電路和溫度測量電路組成，溫度控制檢測示意圖如圖4所示。

    溫度控制電路產(chǎn)生PWM波對加熱槍加熱，ARM產(chǎn)生的PWM波經(jīng)過達(dá)林頓輸出光耦TIL113驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器對加熱槍加熱。
    溫度轉(zhuǎn)換器用于檢測加熱槍的溫度，對溫度控制形成閉環(huán)控制，從而更好地控制加熱溫度。本系統(tǒng)溫度轉(zhuǎn)換器由美國Maxim公司生產(chǎn)的基于SPI總線的MAX6675芯片組成，其測溫范圍為0 ℃～1 024 ℃。本系統(tǒng)控制加熱槍燙化導(dǎo)線保護(hù)層的溫度范圍為300 ℃～400 ℃，所以采用MAX6675芯片作為溫度轉(zhuǎn)換器能滿足加熱槍溫度的測量。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展。主要模塊包括顯示模塊、按鍵模塊、參數(shù)存儲(chǔ)模塊、電機(jī)控制模塊和溫度控制模塊。顯示模塊和按鍵模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互，參數(shù)保存模塊通過IAP(在應(yīng)用編程)對ARM自身的FLASH存儲(chǔ)系統(tǒng)編程，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)掉電保存功能。LPC2131帶有32 KB的片內(nèi)FLASH，其分為8個(gè)扇區(qū)，扇區(qū)號為0～7，每個(gè)扇區(qū)大小為4 KB[2]。本系統(tǒng)將切線根數(shù)、切線長度、進(jìn)線速度等參數(shù)寫進(jìn)扇區(qū)號為7的扇區(qū)中，地址范圍為0x00007000-7FFF。電機(jī)控制模塊和溫度控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心。
3.1 電機(jī)控制部分
    本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要為電機(jī)，對電機(jī)的精確控制直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能。系統(tǒng)有進(jìn)線電機(jī)和切線電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)是順序動(dòng)作的，任意時(shí)刻只有一個(gè)電機(jī)動(dòng)作，可以通過一個(gè)定時(shí)器的兩個(gè)匹配通道實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)電機(jī)的控制。電機(jī)的啟動(dòng)、停止通過定時(shí)器匹配中斷的允許和禁止來實(shí)現(xiàn)，電機(jī)需要的脈沖通過定時(shí)器匹配中斷發(fā)生時(shí)翻轉(zhuǎn)相應(yīng)I/O引腳高低電平來獲得，電機(jī)的速度通過脈沖發(fā)生的頻率來改變[3]。
    因?yàn)槎〞r(shí)器每兩次匹配中斷才產(chǎn)生一個(gè)完整的脈沖，由設(shè)置的電機(jī)轉(zhuǎn)速n(單位為：r/min)、系統(tǒng)頻率Fclk及電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需要的脈沖數(shù)N可得定時(shí)器的匹配值MR為：
 
    因?yàn)閷?dǎo)線切割時(shí)需要的切刀速度在1 200 r/min以上，否則切不斷導(dǎo)線，所以切線電機(jī)的速度很快。一方面速度陡升陡降會(huì)造成指令脈沖丟失；另一方面切線電機(jī)的運(yùn)程短，速度陡升陡降容易造成切刀過沖，卡死在切線槽中。因此系統(tǒng)對切線電機(jī)的起停設(shè)置了加、減速過程。系統(tǒng)初始化時(shí)，計(jì)算各速度檔對應(yīng)的定時(shí)器匹配值，并依次存入數(shù)組。切線電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，開啟匹配中斷。中斷服務(wù)程序每發(fā)送一個(gè)完整的脈沖后，從數(shù)組中取出下一個(gè)數(shù)據(jù)，重載中斷匹配值，直到電機(jī)達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，加速完成，中斷匹配值保持不變，電機(jī)速度恒定。減速過程與加速過程相似。
    編碼器反饋脈沖反應(yīng)了電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，它的檢測通過定時(shí)器捕獲中斷來實(shí)現(xiàn)。
    進(jìn)線長度的測量計(jì)算是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，其直接影響到切線機(jī)的切線精度。對進(jìn)線電機(jī)上的編碼器回饋信號進(jìn)行檢測可以得到送線主動(dòng)輪1的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，但在導(dǎo)線打滑的情況下，主動(dòng)輪1旋轉(zhuǎn)時(shí)可能并沒有帶動(dòng)導(dǎo)線進(jìn)給，這時(shí)便會(huì)對導(dǎo)線實(shí)際進(jìn)給長度的計(jì)算造成錯(cuò)誤。所以本系統(tǒng)是通過對送線從動(dòng)滾輪2上的獨(dú)立編碼器的回饋信號進(jìn)行檢測來計(jì)算導(dǎo)線實(shí)際的進(jìn)線長度，這樣可以避免導(dǎo)線打滑造成的影響。由送線滾輪的半徑R和旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)r便可計(jì)算出導(dǎo)線的進(jìn)給長度L：
 
    因?yàn)橛?jì)算公式中用到圓周率π，其精確程度將直接影響下線長度的計(jì)算，為了減小誤差就要將π多取幾位有效位數(shù)，本設(shè)計(jì)中取π為3.141 5。
    本系統(tǒng)加熱槍噴嘴到切刀的距離為40 mm，指定切線長度Lset的導(dǎo)線進(jìn)給分兩次完成。導(dǎo)線先進(jìn)給Lset-Lcst的長度，使導(dǎo)線需切割的位置到達(dá)加熱槍噴嘴位置，鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)燙化導(dǎo)線保護(hù)層后導(dǎo)線再進(jìn)給Lcst，使導(dǎo)線加熱位置到達(dá)切刀下。為了避免編碼器計(jì)數(shù)的累積誤差，每次導(dǎo)線進(jìn)給時(shí)便將獨(dú)立編碼器計(jì)數(shù)值清零，導(dǎo)線再次進(jìn)給時(shí)獨(dú)立編碼器計(jì)數(shù)值從零開始重新計(jì)數(shù)。經(jīng)過測試，本系統(tǒng)的下線精度高達(dá)0.5%，完全滿足系統(tǒng)的精度要求。
3.2 溫度控制部分
    本系統(tǒng)對加熱槍溫度和鼓風(fēng)機(jī)吹風(fēng)時(shí)間長短的有效控制直接關(guān)系到導(dǎo)線尼龍保護(hù)層的燙化效果，加熱槍溫度過低、吹風(fēng)時(shí)間太短則燙不化尼龍保護(hù)層，反之則會(huì)對線芯造成影響，甚至?xí)鸢踩鹿?。另外，為了避免高溫吹風(fēng)對導(dǎo)線的影響，導(dǎo)線進(jìn)給的過程中鼓風(fēng)機(jī)關(guān)閉。
    本系統(tǒng)加熱槍的溫度、鼓風(fēng)機(jī)的吹風(fēng)時(shí)間都可以人為設(shè)置，從而使?fàn)C線效果達(dá)到最佳。經(jīng)過測試，當(dāng)加熱槍溫度為350 ℃、吹風(fēng)時(shí)間為5 s時(shí)，燙線效果最好。所以加熱槍溫度根據(jù)系統(tǒng)使用環(huán)境條件在350 ℃左右小范圍調(diào)整，吹風(fēng)時(shí)間在5 s左右小范圍調(diào)整。此系統(tǒng)的溫度控制是一個(gè)閉環(huán)控制，通過MAX6675溫度轉(zhuǎn)換器可以讀取加熱槍的溫度值,與設(shè)定值進(jìn)行比較。如果超過設(shè)定值則降低PWM占空比；反之則提高PWM占空比。程序設(shè)計(jì)中開啟PWM中斷，在其中斷服務(wù)程序中讀取加熱槍的溫度，根據(jù)讀取的溫度值與設(shè)定溫度值的差值實(shí)時(shí)改變PWM的占空比，從而使加熱槍的溫度保持在較小的溫差范圍內(nèi)。因?yàn)橐鶕?jù)加熱槍的溫度和設(shè)定溫度相比較來調(diào)整PWM的占空比，所以對溫度值讀取的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。MAX6675是基于SPI總線的專用芯片，它采用SPI總線形式與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行信息交換，MAX6675的數(shù)據(jù)讀取時(shí)序如圖5所示。其一個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀取需要16個(gè)時(shí)鐘周期。MAX6675 的輸出數(shù)據(jù)為16位，輸出時(shí)高位在前，低位在后。第一位D15為無用位，第D14～D3為熱電偶模擬輸出電勢轉(zhuǎn)換的12位數(shù)字量，D2位為熱電偶斷線檢測位，當(dāng)D2位為1時(shí)表明熱電偶斷線，D1為MAX6675標(biāo)識符，D0為三態(tài)數(shù)據(jù)[4]。

    SPI總線既可通過ARM的I/O口模擬，也可通過LPC2131的SPI接口或SSP控制實(shí)現(xiàn)。 本系統(tǒng)軟件程序使用LPC2131具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的SSP控制來獲得加熱槍的溫度值。設(shè)計(jì)中將SSP控制器配置為SPI功能，數(shù)據(jù)長度設(shè)置為16 bit。由于通過SSP控制的SPI功能讀取的數(shù)據(jù)為16 bit，而有效溫度位僅為12 bit，所以需要通過適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換去掉無用的位。轉(zhuǎn)換程序如下：
# define ERROR1 0xffff；//標(biāo)識位錯(cuò)
# define ERROR2 0xfffe；//熱電偶開路
uint16 Get_Real_Temp(uint before_change_temp)
{
    uint16 real_value;
    real_value=before_change_temp；
    if (real _value & 0x8000)
        return ERROR1；
    if (real _value & 0x4000)
        return ERROR2；
    real_value=real_value & 0x7ffb；
    real_value=(real_value>>3)；
    return real_value；
}
    此轉(zhuǎn)換程序中before_change_temp通過SSP直接讀取MAX6675所得到的16 bit數(shù)據(jù)，real_value是去掉無效位后有效的溫度值。
    本文所研制的專用自動(dòng)切線控制系統(tǒng)能夠很好地完成帶尼龍保護(hù)層導(dǎo)線的切割，切割的導(dǎo)線因?yàn)槟猃埍Ｗo(hù)層已經(jīng)被燙線機(jī)構(gòu)燙化，切線端頭不會(huì)再張開，可以方便地對其進(jìn)行進(jìn)一步的剝皮和壓端子等處理。本系統(tǒng)可以滿足切線長度在50 mm～10 000 mm、外徑在1 mm～10 mm范圍內(nèi)導(dǎo)線的切割，切線精度高達(dá)0.5%。目前該自動(dòng)切線系統(tǒng)已用于我國重慶市某廠中，系統(tǒng)送線、燙線和切線的全自動(dòng)化運(yùn)作極大減輕了該廠操作工人的負(fù)擔(dān)，改變了該廠原來手工切線效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大的狀況，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
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